CNAM UE MVA 211 Ph. Durand
Alg`ebre et analyse tensorielle deuxi`eme partie Cours 6:
El´ements d’alg`ebre homologique
Mars 2007
1 Introduction
Dans les chapitres pr´ec´edents, nous avons calcul´es avec les moyens du bord
certain groupes d’homologies de cohomologies. D´ej`a, lorsque nous avons ex-
pos´es des rudiments de th´eorie de l’homotopie, nous avons introduit la longue
suite exacte d’une fibration. Cette suite exacte longue permet d’obtenir cer-
tains groupes d’homotopies qu’il aurait ´et´e plus difficile d’obtenir de mani`ere
directe. Par exemple ce fut le cas pour le troisi`eme groupe d’homotopie de la
sph`ere S2. On peut d´evelopper consid`erablement les outils de calculs dans le
cadre de l’homologie. L’homologie se r´ev`ele tr`es calculatoire, `a partir de suite
exactes courtes comme l’excision ou la suite de Mayer-Vietoris (qui ressemble
dans le cadre homotopique au th´eor`eme de Van Kampen mais est beaucoup
plus puissante) On peut d´efinir des suites exactes longues d’homologie qui
donnent de nombreux r´esultats. Nous allons survoler quelques unes de ces
techniques classiques de calcul d’homologie. c’est ce qu’on appelle l’alg`ebre
homologique.
2 Longue suite exacte d’homologie (ou coho-
mologie)
Tout d’abord, il faut prendre un point de vu et si tenir quand on d´efinit
l’alg`ebre homologique on peut prendre une pr´esentation homologique, ou bien
1
a partir du complexe adjoint une pr’esentation cohomologique. on choisit une
fois pour toute la pr´esentation homologique.
On a mentioner l’existence d’une longue suite exacte d’une fibration pour
le calcul des groupes d’homotopies en th´eorie de l’homotopie; on peut mon-
trer l’existence de suite exacte longue en homologie.Plus pr´ecisement, on va
d´efinir ce qu’on appelle une suite exacte courte de complexes de chaines puis
cela nous permettra de construire une suite exacte longue en homologie per-
mettant de calculer des groupes d’homologies `a partir d’op´eration tels les
recouvrement par deux ouverts d’une vari´et´e :suite de Mayer Vietoris, ou
par des op´erations chirurgicales telles l’excision.
2.1 Morphisme de complexe de chaines
Consid´erons deux complexes de chaines (A, ∂), (B, ∂):
... An+1
n+1
An
n
An1
n1
...
... Bn+1
n+1
Bn
n
Bn1
n1
...
On dit que fest un morphisme de complexe de chaines f:ABquand
quel que soit l’entier n,fn+1 =n+1 fCela entraine la commutativit´e
du diagramme ci dessous:
n+2
//An+1
n+1 //
f
An
n//
f
An1
f
n1//
n+2
//Bn+1
n+1 //Bn
n//Bn1
n1//
Th´eor`eme
Un morphisme de complexe de chaines finduit un morphisme fen homolo-
gie, en effet, tout d’abord ce morphisme envoie un cycle sur un cycle et un
bord sur un bord (simple consequence de la comutativit´e du diagramme ci
dessus). Maintenant soit cun cycle de An, [c] un element de Hn(A) alors,
soit c0un cycle homologue a c,c0=c+n+1cn+1 mais l’image par fde c0est
dans Hn(B) car f(c) est un cycle de Bnet f(n+1cn+1) est un bord de Bn
2
2
On vient de d´efinir une flˆeche entre groupes d’homologies:
f:Hn(A)Hn(B) d´efinie pour tout n
2.2 Suite exacte courte de complexe de chaines
On consid`ere trois complexes de chaines (A, ∂), (B, ∂), (C, ∂):
on suppose que quel que soit l’entier n la suite:
0An
f
Bn
g
Cn0
est exacte Alors on peut envisager le complexe double ci dessous:
0//An+1
f//
Bn+1
g//
Cn+1
//0
0//An
f//
Bn
g//
Cn
//0
0//An1
f//Bn1
g//Cn1//0
On vient donc de d´efinir deux morphismes de chaines . On a donc pour
tout entier nla suite de morphisme en homologie:
Hn(A)f
Hn(B)g
Hn(C)
Lemme du serpent
Il existe un homomorphisme de connexion not´e δqui transforme la suite
de morphismes pr´ec´edent en une suite exacte longue, autrement dit on a la
ˆeche: Hn(C)δ
Hn1(A). Ce lemme est souvent appell´e lemme du serpent
(ou snake lemma en anglais) l’homomorphisme de connexion est cruciale il
permet de lier entre eux tous les groupes d’homologie des complexes (A, ∂),
(B, ∂), (C, ∂) en une longue suite exacte:
...Hn(A)f
Hn(B)g
Hn(C)δ
99K Hn1(A)f
Hn1(B)g
...
3
Une ´ecriture condens´ee de cette longue suite exacte, est un diagramme sous
forme d’un triangle exacte comme ci dessous:
H(A)f//H(B)
g
zzt
t
t
t
t
t
t
t
t
H(C)
δ
ddJ
J
J
J
J
J
J
J
J
Nous allons donner un d´emonstration de ce lemme.
Il y a deux chose `a ´etablir: l’existence du morphisme de connection δentre
l’homologie de Aet l’homologie de Cpuis d´etablir l’exactitude aux diff´erents
points de la suite.
D´emonstration du Lemme
1) On commence par construire le morphisme de connexion: on va parcourir
une partie du complexe double d´efinit ci dessus, on choisit cun cycle de Cn,
on va lui associer un cycle ade An1, il faudra ensuite v´erifier que cette
op´eration peut se faire modulo un bord c’est a dire passe en homologie:
0//An+1
f//
Bn+1
g//
Cn+1
//0
0//An
f//
bBn
g//
cCn
//0
0//aAn1
f//
b Bn1
g//
Cn1
//0
0//An2
f//Bn2
g//Cn2//0
Comme l’application gest surjective, il existe bBntel que g(b) = c;
D’autre part, on consid`ere b Bn1, on a g(b) = g(b) = c = 0 car cest
un cycle. Enfin par exactitude, il existe aAn1tel que fn1(a) = b On
pose alors: δ[c] = [a]
4
Il faut verifier que cette d´efinition est consistante, en particulier que aest un
cycle il faut continuer un peu la chasse au diagramme:
0//An+1
f//
Bn+1
g//
Cn+1
//0
0//An
f//
bBn
g//
cCn
//0
0//aAn1
f//
b Bn1
g//
Cn1
//0
0//a An2
f//Bn2
g//Cn2//0
On voit que aest bien un cycle car par la commutativit´e du diagramme,
f(a) = f(a) = b = 0, comme fest injective on a bien a = 0.
Il faut enfin montrer que [a] ne d´epend pas du repr´esentant cde [c] donc
aussi de bet a. en effet choisissons d’autres repr´esentants (c0, b0, a0), [c0] = [c],
on a donc c0c=c00 avec c00 Cn+1, soit b00 Cn+1 tel que c00 =g(b00) qui
existe par surjectivit´e:
0//An+1
f//
b00 Bn+1
g//
c00 Cn+1
//0
0//a00 An
f//
bBn
g//
cCn
//0
0//aAn1
f//
b Bn1
g//
Cn1
//0
0//a An2
f//Bn2
g//Cn2//0
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